[发明专利]基于在体生理运动的人体骨骼肌肉组织应力应变无损分析方法

权利要求书

1.一种基于在体生理运动的人体骨骼肌肉组织应力应变无损分析方法，其特征在于：包括光学三维运动捕捉与分析系统、地反力采集与分析系统、肌肉力求解系统、骨骼肌肉组织应力应变分析系统；

该方法的步骤如下：

步骤S101，通过光学三维运动捕捉与分析系统获取人体在体生理运动的运动学数据；步骤S101的具体步骤如下：

步骤S201，建立人体多节段的多刚体模型，将人体的头部、躯干、前臂、后臂、手、盆骨、大腿、小腿、足部根据实际需要，建立为多个阶段的多刚体模型，用于分析运动学数据，节段的数量因研究对象的不同而变化；

步骤S202，根据建立的多刚体模型，在人体相应的位置粘贴marker点，便于运动捕捉生成运动轨迹，marker点的数量随多刚体模型中阶段数量的变化而变化；

步骤S203，对光学三维运动捕捉系统的相机系统和空间坐标系进行静态标定，对人体的marker点进行动态标定；

步骤S204，测试对象按设定的运动模式，在采集区域内运动，对marker点的空间位置进行捕捉；

步骤S205，对捕捉到的marker的轨迹数据进行提取，对因环境干扰而残缺的轨迹数据进行修补；之后通过步骤S206对轨迹数据进行滤波处理，消除噪声数据的干扰，获取精确的空间轨迹；

步骤206，建立运动学方程，对marker点的时空轨迹数据进行求解计算，获取多刚体模型各阶段的运动学数据，在此基础上求得各关节的角速度和角加速度等运动学数据；

步骤S102，通过地反力采集与分析系统获取人体在体生理运动的动力学数据，步骤S102的具体步骤如下：

步骤S301，在执行步骤S204运动捕捉的同时，在捕捉区域内的地面上安装力板，同步采集受试者的地反力，可以用多块力板采集一组运动中的多次地反力，但是每次仅允许单脚作用于力板上；

步骤S302，对采集到的地反力数据进行滤波处理，消除噪声数据的干扰，获取准确的地反力数据；之后通过步骤S303将地反力数据与运动学数据进行同步，保证下一步肌肉力求解系统中输入的运动学数据和动力学数据具有同步性；

步骤S103，通过肌肉力求解系统获取人体在体生理运动的肌肉力、关节力和关节力矩数据，步骤S103的具体步骤如下：

步骤S401，在肌肉力求解系统中建立基础的人体全身骨骼肌肉系统模型；

步骤S402，根据测试对象静态测试中标记的marker点的位置，将模型中的各部分进行比例缩放，使模型数据与测试对象的实际数据相匹配；

步骤S403，逆向运动学求解，以步骤S206获取的marker点的三维轨迹数据作为驱动数据，驱动骨骼肌肉系统模型，建立逆向运动学方程，求解关节的运动学数据，包括但不限于关节的角速度、角加速度等数据；

步骤S404，逆向动力学求解，将地反力数据输入骨骼肌肉系统模型，结合运动学数据并建立逆向动力学方程，求解模型中各关节的关节力和关节力矩；

步骤S405，残差优化缩减，逆向动力学的计算求解受到运动学数据、地反力数据以及自由度未知条件的影响，再加之肌肉-肌腱模型的不准确使得计算违背牛顿第二定律，导致试验获取的力与利用牛顿第二定律计算的力之间存在差距，该差值成为力残差，但该残差不能消除，只能通过轨迹优化和环节质量调整等方法减小力残差，以提高肌肉力计算的准确性，经过残差缩减后的力残差控制在10N以内，力矩残差再50N·m以内；

步骤S406，建立静态优化模型对肌肉力的分配进行优化；

步骤S407，通过肌肉力求解模型求解肌肉力；

步骤S104，通过骨骼肌肉组织应力应变分析系统，对骨骼肌肉系统进行仿真分析，获取应力应变数据，步骤S104的具体步骤如下：

步骤S501，采集测试对象的医学图像，采用逆向工程重建人体骨骼的三维模型，可读取的医学图像格式包括DICOM、GE、Picrer、Elscint和SMS，初步建模后可生成的三维模型文件格式为CLI、SLI、SSL和STL；初建模后对表面粗糙处进行曲面的完善与修正，保证重建的三维模型表面光顺且精确度高；

步骤S502，在步骤S501重建的三维模型为封闭曲面，通过CAE软件对三维模型进行实体化，并根据不同骨骼的具体要求选择合适的单元类型进行网格划分，最后将网格划分后的模型导入有限元分析软件进行后续的有限元建模和仿真分析；

步骤S503，在有限元分析软件中使用杆单元模拟韧带，单个杆单元代表一条韧带；对于肌肉的建模，采用两种方法如下：

方法一，采用连接单元连接骨骼，模拟骨骼肌肉系统有限元模型中肌肉力的施加，因肌肉力多是沿曲线路径传递，在本专利实施过程中肌肉与骨骼的连接处采用滑环结构作为连接单元进行连接，连接的起点与终点为肌肉在骨骼上的解剖学作用点，对于较长的肌肉通过多个单元进行拼接，提高肌肉力施加的精确度，最后对肌肉模型进行网格划分；

方法二，在步骤S501重建骨骼模型的同时，重建肌肉的三维模型，并在步骤S502中进行实体化和网格划分，将肌肉模型导入有限元分析软件进行后续分析；

步骤S504，设计骨骼、肌肉的材料属性；

步骤S505，根据相应的在体生理运动模式设置相应的载荷、边界条件和定义接触，肌肉两端与骨骼之间采用绑定约束，软骨与骨骼之间采用绑定约束，绑定约束为面与面之间的约束，要求两接触面之间不发生相对运动和变形；除足部与地面之间的接触定义为有摩擦接触，其余的接触均定义为无摩擦约束；

载荷的添加根据步骤S503中肌肉建模方法的区别采取不同的载荷施加方法，具体载荷施加方案如下：

针对方法一的载荷施加方案为，在足端施加地反力、在关节施加关节力和关节力矩、在肌肉两端施加肌肉力载荷；

针对方法二的载荷施加方案为，在足端施加地反力、在关节施加关节力和关节力矩；

施加的载荷均为步骤S102和S103求得的相应在体生理运动的地反力、肌肉力、关节力和关节力矩的时间历程数据，可以仿真分析人体处于在体生理运动过程中任一状态时骨骼肌肉系统的应力应变，而不是之前仅可分析某一状态的应力应变；

步骤S506，在有限元分析软件中选择相应的求解器，进行求解分析；

步骤S507，在骨骼肌肉组织应力应变分析系统的后处理模块中，进行后处理分析，获取并显示骨骼肌肉组织的应力应变信息。